400-633-0508
全球高端道路与岩土工程试验检测设备品质供应商
新闻资讯
科学史上的罕见“决斗”太沙基和费伦恩格关于一维固结理论的争论





太沙基和费伦恩格关于一维固结理论的争论

1937 年,以扬压力和一维固结理论的争论为导火索,时任维也纳工业大学教授的太沙基 (K. V. Terzaghi) 与同为该校教授的费伦恩格 (P. Fillunger) 打了场震惊科学界的名誉权官司,后者由于过于激进偏颇的攻击言论和一些明显的立论错误而被学术委员会判定对太沙基教授进行了诋毁,然而偏执和自尊心很强的费伦恩格教授并不愿意道歉,一场科学史上罕见的“决斗“,终以费伦恩格夫妇的双双自杀而黯然收尾,令人唏嘘不已。


太沙基教授和费伦恩格教授(从左至右)

以及费伦恩格教授夫妇自杀事件的报道

 

众所周知,有效应力原理被看作是经典土力学理论的半壁江山,现在比较通行的说法是太沙基在1923年提出了有效应力原理,但有调查结果表明,有关于有效应力这个名词的提法,恰是出自上文所提到的费伦恩格教授。20世纪50年代末,英国帝国理工学院斯开普敦教授(A.Skempton)在寄给美国哈佛大学卡萨格兰德教授的书稿《土力学:从理论到实践》中提到,费伦恩格教授曾于1915年在其所著《关于饱和多孔固体中液体的力学性质》的文章中对有效应力进行了揭示,并指出“不仅费伦恩格教授而且其他任何人都没有意识到这些结果(指有效应力)的充分意义”。不过作为太沙基教授长期搭档和助手的卡萨格兰德教授阅后大为光火,他无法接受斯开普敦教授给予费伦恩格教授的“荣誉”。他说:“这样的做法会让读者误以为费伦恩格已经了解了一些关于有效应力的重要性,只是没有完全认识,但事实是费伦恩格宣称太沙基关于孔压和有效应力的概念都是荒唐的!因此我至少要求您将这句话中的“充分”一词去掉”。


国际土力学界的两位开山宗师

 

当年泊松基于菲涅耳理论推导出的“泊松亮斑”,在泊松自己看来都是一个荒谬的结论,仅是拿它来表明菲涅耳理论与常识相违背并意图推翻光的波动说,而费伦恩格教授虽然提出了有效应力的概念,但他坚持认为土力学就是一个根本不应存在的“异端学说”。因此,我们讲述这样一个事件,绝非否定太沙基在土力学上所作出的贡献,相反正因为他的天赋与努力,让土力学从材料力学的范畴中脱颖而出,但是我们也应看到,如同牛顿揭示万有引力更可能是受到实验员虎克先生的启发而不是苹果的点拨一样,重要科学理论从酝酿到诞生经历了反复的打磨、推敲,实在也不是一个轻松和凭借直觉能够解决的课题。


 

有效应力原理

太沙基(K. Terzaghi)早在1923年就提出了有效应力原理的基本概念,阐明了粒材料与连续固体材料在应力--应变关系上的重大区别,从而使土力学成为一门学科的重要标志。这是土力学区别于其他力学的一个重要原理。土是三相体系,对饱和土来说,是二相体系。外荷载作用后,土中应力被土骨架和土中的水气共同承担,但是只有通过土颗粒传递的有效应力才会使土产生变形,具有抗剪强度。而通过孔隙中的水气传递的孔隙压力对土的强度和变形没有贡献。这可以通过一个试验理解:比如有两土试样,一个加水超过土表面若干,会发现土样没有压缩;另一个表面放重物,很明显土样被压缩了。尽管这两个试样表面都有荷载,但是结果不同。原因就是前一个是孔隙水压,后一个是通过颗粒传递的,为有效应力。就是饱和土的压缩有个排水过程(孔隙水压力消散的过程),只有排完水土才压缩稳定,再者在外荷载作用下,土中应力被土骨架和土中的水气共同承担,水是没有摩擦力的只有土粒间的压力(有效应力)产生摩擦力(摩擦力是土抗剪强度的一部分)


太沙基一维固结理论

天然土体一般由三相组成,即矿物颗粒构成骨架,土骨架空隙内充填水和空气。土体受到外力后,可以认为土体变形是孔隙中流体体积变化的结果。土体在外加荷载作用下,由于孔隙比减少而压密变形,同时提高了强度。对于饱和土,只有当孔隙水挤出以后,变形才能产生。开始时土中应力全部由孔隙水承担,随着孔隙水的挤出,孔隙水压力逐步转变为由土骨架承受的有效应力。研究这两种应力的相互消长以及土体变形达到终值的过程,称为固结理论。


地基土的压缩是由于孔隙水压力减小,有效应力增大的结果。附加应力一定的条件下,求得某一时刻孔隙水压力即可确定有效应力。地基的这种固结过程中,任意时刻的沉降变形量与终沉降变形量的比值,即定义固结度。


一维固结又称单向固结,是指土体在荷载作用下产生的变形与孔隙水的流动仅发生在一个方向上的固结。严格的一维固结只发生在室内有侧限的固结试验中,在实际工程中并不存在;但是在大面积均布荷载作用下的固结,可以近似为一维问题。

太沙基在1924年建立了一个一维固结模型和建立了一维固结理论。太沙基一维固结理论为求饱和土层在渗透固结过程中任意时间的变形,通常采用太沙基提出的一维固结理论进行计算。


相关试验设备


设备名称:Rowe Barden 固结试验系统

制  造  商:德国APS-WILLE Geotechnik



德国wille全自动固结试验仪系统旨在通过液压加载系统施加轴向应力,从而在很宽的压力范围内高精度控制施加的载荷,并且可以在不需要加载架的情况下在大试样上进行试验。全自动固结试验仪系统的主要优点是对大试样进行试验的能力,系统易于搬运和摆放,可以在单向固结室中准确控制排水能力。 此外,还可以使用此系统进行准确的渗透率试验。
完整的系统包括一个 Rowe Barden固结室,测量试样中间垂直沉降的位移传感器,两个压力控制器产生轴向水力载荷和反压,孔隙水压力传感器,以及自动运行所有类型试验的软件。

德国wille制造的自动机电压力体积控制器是注射式无抖动泵,可高精度产生和调节压力,并在轴向荷载和反压的各种范围内提供准确的流量控制。可实现不同模式的压力控制,例如提供恒定压力、压力斜坡、恒定体积流量。


Rowe Barden固结室适用于不同的试样尺寸,直径从50mm到150mm不等,可根据要求提供更大尺寸(250mm或 300mm,试样高度为 250mm),当与压力体积控制器连接时,可以运行常规固结仪试验以及下面列出的试验。

全自动固结试验仪配备了先进的 GEOsys 软件,用户可以完全自动地运行所有试验阶段,并且在试验过程中无需操作人员在场。


产品特点

设计紧凑,易于搬运摆放,占用空间小

由不锈钢制成
用于施加液压荷载和反压的压力/体积控制器
试样尺寸从50mm到300mm
具有孔隙和反压控制的饱和条件
有各种工作压力,高可达35bar
控制软件(有通讯协议)
兼容LABVIEW©
用于将数据快速传输到电脑的以太网端口
通过软件使用外部位移传感器进行位移闭环控制
带有显示器和薄膜按键的高质量工业控制器,用于监测测量值和试验程序
实时数据和图形显示
根据选定的条件全自动调整加载阶段
使用高精度位移传感器进行准确沉降控制
全自动试验程序和电脑控制监控,能够12台系统同时单独控制


优势

试验类型

可升级选项

•使用液压加载的低摩擦系统
•低噪音-静音机
•无需气压
•无需配重砝码
•很少维护
•CE 标志
•易于使用
•提供长期更换的电气和机械备件
•设计紧凑,可轻松移动
•用于大型试样,而占用很小的空间
•准确的渗透率测量

下面的一些试验需要额外的组件,须单独订购:
•一维固结试验
•增量加载试验(常规)IL
•恒定应力速率 (CRL/CL)
•恒定应变速率 (CRS) 测量孔压
•控制梯度 (CG)
•True K0(K-0)测量径向应力(需要 K0 固结室)
•多级轴向固结试验
•渗透性试验
•孔隙水体积变化测量
•膨胀压力试验
•蠕变试验(长期非常低的速度)
•饱和斜坡(斜坡压力/体积变化)

•长期非饱和试验
•温度控制
•弯曲元
•HAVE陶土板获得土-水特征曲线(SWCC)
•升级可运行K0试验
•径向排水


软件系统通过GEOsys软件控制。根据用户需求为每套系统专门定制配置和编程,包括控制试验流程、采集、存储所有的数据。

标准规范•BS1377-06  •ISO/TS 17892

其他型号:•自动:桌面型+落地型  •CRS 固结仪试验系统  •大荷载超大固结试验系统  •浆体固结试验系统  •温控固结试验系统  •全自动扭剪固结试验系统  •用于非饱和液压固结室 (SWCC)


Rowe Barden固结室
在所有固结室中,原状土试样为圆柱型,置于不锈钢制成的圆筒中,以防止任何横向应变并提供真实的一维试验条件(试样仅允许有垂直压缩和膨胀)。
压力体积控制器施加的液压压力通过使用与置于试样顶部的上帽分布在整个试样上。位于试样顶部和底部的两个不锈钢透水石允许孔隙水从试样中排出。
该固结室有 2 个入口和出口连接,下部带有阀门,上部带有压力和排气连接和阀门。

主要特点
所有部件均由不锈钢制成
可以运行CRS试验
能够施加反压并运行渗透率试验
坚固的不锈钢制上下透水石
不同的升级选项和试样尺寸


体积压力控制器
自动机电压力体积控制器是一种注射式无抖动泵,可高精度产生和调节压力,并为不同试验,例如用于非饱和试验的围压压力、反压或空气压力。
压力控制有多种模式,例如使用该泵可提供恒定压力、压力斜坡、恒定体积流量。它具有紧凑和节省空间的设计(壁挂式或桌面使用)。


本系统利用两台体积压力控制器产生轴向液压载荷和反压,结合孔隙水压力传感器和软件,用于自动运行所有类型的试验。每一种类型的试验在软件交付前预先完成编程。


GEOSYS 软件

GEOsys是一款适用于WINDOWS、LINUX或MAC OSX的多功能模块化全自动控制和数据采集软件,是我们产品的通用软件。
所有试验系统均通过 GEOsys 软件控制,该软件根据客户订购的参数为每个试验模块编程。软件对整个系统进项操控,监控试验过程,并且存储所有数据。


一维固结仪

主要特点

▍ 执行所有试验

▍ 用户定义的多个增量加载和卸载

▍ 能够自动加载到下一个压力水平

▍ 软件可针对多个增量加载阶段进行编程

▍ 可选溶胀压力试验

▍ 完整记录并实时显示试验结果

▍ 屏幕上实时显示试验曲线

▍ 后台自动计算

▍ 全自动试验程序和电脑监控,能够12台设备同时单独控制

▍ 可以将试验结果导出为Microsoft Excel格式

▍ 软件中集成保护功能

▍ 显示屏/软件上的状态和错误消息都带有编号,便于追溯

▍ 限值设置


SIEMENS工业控制器

系统的操作除了需要使用功能键外,还需要直接输入数值。西门子公司生产的控制器是一种先进的控制面板,用户可以通过其他功能键轻松输入数值和操控系统。您只需输入数值并按下运行键即可开始操控。
操作面板让用户可以访问操作和服务菜单中的所有功能。用户可以启动和运行设备以及在需要时进行校准。这些控件直观且易于使用。所有功能,例如实际状态、流速和压力斜率信息都可以在设备正面的 LCD 显示屏上显示出来。



主要特点

▍  图形显示,包括 10 个薄膜键
▍ 手动设置力或位移
▍ CE 标志
▍ 以太网接口
▍ 22 种不同语言
▍ 多语言菜单导航
▍ 校准功能
▍ 4 个带有 A/D 转换器的模拟端口(+/- 10 VDC)





了解更多产品详细信息,获取产品资料,欢迎垂询TIPTOP卓致力天!


           


服务热线 | 400-633-0508     邮箱:tiptop@tiptoptest.com